▲該研究小組闡明瞭超快激光脈衝如何被用於調節物質的性質，並以比任何傳統的方式更快的速度產生電流。電流的大小和方向可以通過改變激光參數來控制。
把一根比頭髮細一千倍的玻璃線當作兩種金屬之間的電線，再用一個持續十億分之一秒的激光脈衝擊中它，接下來，了不起的事情就發生了。
這種玻璃狀的物質將瞬間轉化成類似金屬的東西，同時激光在這個微小的電路中會產生一股電流。在沒有外加電壓的情況下，它比任何傳統的發電方式都快得多。此外，只要改變激光的相位，就可以控制電流的方向和大小。
目前，美國羅切斯特大學的一名研究人員成功預測了激光脈衝可以在納米尺度上產生超快電流，同時他自信能夠解釋實驗中成功地創造了這些電流的過程和原因。“這標誌著利用激光控制電子的一個新領域。”助理教授Ignacio Franco說道。這項研究近日發表在了《自然通訊》上。
“你不會用它來製造一輛車，但你可以比以前更快地產生電流。你將能夠開發出十億分之一米長(納米尺度)的電子電路，其工作時間是十億分之一秒(飛秒)。但更重要的是，這是一個很好的例子，它展示了不同的物質在脫離平衡的情況下性質是如何表現的。激光猛烈地撼動納米結構的結點，從而完全改變了它的性質。這意味著我們可以利用光來調節物質的性質。”Franco說。
這正是美國能源部列出“在電子水平操控物質”的目的。對美國科學家來說，怎麼理解物質“非常遠離”平衡——是他們面臨的關鍵挑戰之一。能源部早在2007年就提出上述科研攻關。當時還是多倫多大學的博士生的Franco，作為主要作者在《物理評論快報》上發表論文稱，在飛秒激光脈衝照射下的分子電線中，可以產生極其強大的超快電流。
分子線是指線性碳鏈，能連接到金屬觸點形成一個納米級的結。電流的產生源自斯塔克效應(Stark effect)，在這種情況下，由於激光外部電場的存在，物質的能級會發生改變，從而可用來控制分子和金屬觸點之間的能級排列。
但當時這個理論就此止步了。因為無法用實驗來建立一個如此小的連接點並記錄在激光破壞電線之前發生的事情。
直到2013年，由馬克斯?普朗克量子光學研究所的Ferenc Krausz領導的團隊通過將不同的納米玻璃連接到兩個金電極，然後暴露給激光脈衝，產生了超高速電流。但該現象的具體動力學機制並不清楚。
直到目前，不斷有研究人員提出不同的機理假設。但是，即使材料不同，Franco還是認為是相同的斯塔克效應機制在起作用。於是他們使用超級計算機進行模擬實驗，歷時4年終於證實了這一點。Franco說：“我們用最先進的計算方法恢復了主要的實驗觀測，並對實驗觀測背後的機制做出了簡單的描述。”Franco稱這項研究表明了理論和實驗在推進科學發展中是怎樣相互促進的。
“化學家們傳統上研究的是當物質處於或接近熱力學平衡時分子結構與其可能的功能之間的關係。而這項研究是讓我們思考當物質處於遠離平衡狀態時，其結構的函數關係。” Franco補充道。
編譯：Coke 審稿：alone
來源：http://h5.scimall.net.cn/register?from=xh005
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